超限高層公寓型鋼混凝土轉(zhuǎn)換框支梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳敢超

（廣東中山建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司）

1 工程概況

我國建筑物的高度不斷地向超高方向發(fā)展，同時(shí)由于業(yè)主對(duì)建筑層高和空間使用有限制和要求，因此越來越多的高層建筑通過采用帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，而型鋼混凝土轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)和施工也日益得到大力推廣。本項(xiàng)目位于中山市長江北路和孫文東路交匯處，總建筑面積28萬m2，地下室共3層，地上由3棟高層塔樓和5層商業(yè)裙房組成。建筑抗震設(shè)防分類裙樓為乙類，裙樓天面以上的三棟高層塔樓為丙類。設(shè)計(jì)使用年限為50 年，抗震設(shè)防烈度為7 度，地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，特征周期為0.35s，場地類別為Ⅱ類，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。其中1#公寓塔樓結(jié)構(gòu)高度最大為168.4m，屬于超B級(jí)高度、大底盤多塔結(jié)構(gòu)，而且存在豎向構(gòu)件間斷、平面扭轉(zhuǎn)及樓板不連續(xù)等多項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)，本項(xiàng)目已通過了抗震設(shè)防超限專項(xiàng)審查并且施工已完成主體結(jié)構(gòu)封頂。本文主要對(duì)超限的1#高層公寓的部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中的型鋼混凝土框支轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

轉(zhuǎn)換層位于第7 層樓面，屬于高位轉(zhuǎn)換，由于建筑層高的限制，框支轉(zhuǎn)換梁梁高需要控制在1800mm 以內(nèi)，通過多方案分析計(jì)算和綜合比較，最終確定選用抗震性能優(yōu)越的型鋼混凝土框支轉(zhuǎn)換梁（以下正文中簡稱框支梁）?？蛑Я鹤畲蠼孛鏋?000×1800，含型鋼率為1.6%。落地剪力墻（以下正文中簡稱落地墻）厚度為500～800mm，轉(zhuǎn)換層以上剪力墻（7 層以上）墻厚自下而上由300mm漸變?yōu)?00mm。框支轉(zhuǎn)換層和標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1 和圖2 所示。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）[1]（簡稱《高規(guī)》）規(guī)定，本工程落地墻和框支框架抗震等級(jí)為特一級(jí)，其余為一級(jí)。

圖1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面

2 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

本工程建筑結(jié)構(gòu)高度超限，為超B 級(jí)高度，設(shè)計(jì)中分別采用《多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析和設(shè)計(jì)軟件（墻元模型）SATWE》[2]（簡稱SATWE）和《盈建科建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件YJK》[3]（簡稱YJK）兩個(gè)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算對(duì)比分析，計(jì)算內(nèi)力時(shí)全樓采用彈性樓板假定和相同的計(jì)算參數(shù)，兩個(gè)程序的分析結(jié)果基本吻合一致，模型符合實(shí)際，可作為本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)[4]。

3 框支梁設(shè)計(jì)

3.1 剪壓比限值分析

轉(zhuǎn)換框支梁受力復(fù)雜，它并不是傳統(tǒng)意義上的拉彎構(gòu)件，而且它屬于關(guān)鍵構(gòu)件，為保證其安全可靠，《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 138-2016）[5]（簡稱《組合規(guī)》）5.2.4 條對(duì)框支梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)的受剪截面有明確規(guī)定，地震設(shè)計(jì)狀況下剪壓比為0.3。在重力荷載、水平荷載共同作用下，為了確保建筑結(jié)構(gòu)的抗震延性和安全度，控制好高層建筑各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件受剪截面的剪壓比是重要措施，同時(shí)也符合強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)原則。

為保證建筑結(jié)構(gòu)的安全，控制轉(zhuǎn)換框支梁的剪壓比的無疑是有利于彌補(bǔ)計(jì)算差異所帶來的結(jié)構(gòu)隱患。型鋼混凝土框支梁作為復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁其中一種結(jié)構(gòu)形式，具有承載力高、延性好等優(yōu)點(diǎn)，其承受上部結(jié)構(gòu)傳來的垂直和水平荷載時(shí)受力復(fù)雜而且十分重要。

3.2 截面設(shè)計(jì)

框支梁因受力不同各取不同截面尺寸，梁高受建筑使用凈空要求只能采用1800mm，寬度按計(jì)算確定。例如經(jīng)分析計(jì)算后，KZL1 截面尺寸采用2000×1800，混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C70。由于采用寬翼緣工字型鋼會(huì)對(duì)梁內(nèi)箍筋設(shè)置擺放產(chǎn)生較大影響，施工也非常困難。經(jīng)多方案綜合比較，最終確定內(nèi)置型鋼不需考慮受彎，僅考慮提高框支梁的抗剪能力，在滿足梁支座抗剪前提下選擇無翼緣型鋼（鋼板），在框支梁內(nèi)對(duì)稱配置兩塊一字型鋼板，截面尺寸為-1200×24，型鋼牌號(hào)采用Q420B，框支梁含型鋼率為1.6%。這樣配置的抗剪鋼板基本不影響梁內(nèi)的箍筋設(shè)置綁扎，對(duì)施工并無太大影響，大大提高施工效率?？蛑Я号浣詈弯摪遄龇ù髽尤鐖D3所示。

圖3 框支梁KZL1配筋大樣

3.3 計(jì)算分析

1#高層公寓計(jì)算模型如圖4 所示，采用YJK 和SATWE 兩個(gè)有限元軟件分別對(duì)全樓棟整體進(jìn)行分析計(jì)算，從框支梁的內(nèi)力和配筋計(jì)算結(jié)果可知：梁高范圍內(nèi)配置了一字型型鋼的框支梁，由于內(nèi)置鋼板提供了抗彎貢獻(xiàn)，縱筋數(shù)量明顯少于未配置型鋼的普通鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換梁，梁截面尺寸也由于梁內(nèi)設(shè)置的型鋼提高了框支梁抗剪能力從而得到優(yōu)化?！督M合規(guī)》5.5.2 條中規(guī)定了型鋼混凝土框支梁的縱筋最小配筋率為0.3%，在正截面承載力計(jì)算時(shí)，縱筋和內(nèi)置型鋼在框支梁內(nèi)充分發(fā)揮共同作用，但在內(nèi)力配筋計(jì)算時(shí)，《組合規(guī)》對(duì)框支梁縱筋在地震作用時(shí)卻沒有作出增大調(diào)整。

圖4 整體計(jì)算模型

考慮到在高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中框支梁的重要性及其復(fù)雜性，為確保其有充裕的設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備，而且應(yīng)具有良好延性的抗震性能，依據(jù)超限審查報(bào)告的計(jì)算分析結(jié)論，確定本項(xiàng)目的特一級(jí)框支梁縱筋最小配筋率為0.6%。施工圖配筋設(shè)計(jì)時(shí)取YJK、SATWE 模型和高精度有限元框支剪力墻計(jì)算軟件FEQ 模型計(jì)算結(jié)果包絡(luò)值配置框支梁縱筋，符合滿足設(shè)計(jì)要求。

框支梁的內(nèi)置型鋼腹板僅考慮抗剪驗(yàn)算，在普通鋼筋和型鋼的協(xié)同作用下框支梁的抗彎以及抗剪承載力均能滿足設(shè)計(jì)要求。依據(jù)《組合規(guī)》5.3.2 條條文和公式，考慮型鋼局部腹板作用，按荷載的準(zhǔn)永久值并考慮長期作用影響，分析計(jì)算框支梁的最大裂縫寬度，由計(jì)算結(jié)果知ωmax=0.216mm＜[ω]=0.3mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

由結(jié)構(gòu)平面可知，框支梁與上部托換的剪力墻上下錯(cuò)位并不能對(duì)齊同一軸線，這樣必定會(huì)對(duì)框支梁產(chǎn)生較大的扭矩作用，但轉(zhuǎn)換層的厚板及與框支梁垂直相交的框支次梁能有效約束由于墻、梁偏心所產(chǎn)生的較大扭矩，因此除了計(jì)算，還可以通過抗震構(gòu)造措施來解決抗扭問題，這樣會(huì)得到更經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)果。對(duì)框支梁采取的主要構(gòu)造措施如下：⑴框支梁第一排面筋沿梁縱向方向全長貫通，貫通率必需達(dá)50%以上；⑵將轉(zhuǎn)換層樓板配筋率從0.25%增大至0.3%，有效提高轉(zhuǎn)換層樓板和框支梁協(xié)同能力，從而增強(qiáng)框支框架的整體抗震性能；⑶在滿足規(guī)范的前提下，框支梁單側(cè)腰筋配筋率適當(dāng)增大為0.12%，除了能增強(qiáng)框支梁的抗扭作用外，還能有效控制由于澆筑C70 高標(biāo)號(hào)混凝土而產(chǎn)生垂直于梁軸線的梁表面收縮裂縫；⑷適當(dāng)加強(qiáng)與框支梁垂直方向的框架梁或次梁的截面尺寸，提高轉(zhuǎn)換層的整體抗扭能力。

3.4 構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.4.1 高強(qiáng)混凝土的使用

為完美達(dá)到業(yè)主對(duì)建筑空間的使用要求，框支梁和轉(zhuǎn)換柱同時(shí)采用C70 高強(qiáng)混凝土?；炷翉?qiáng)度越高粘性越大，生產(chǎn)上需要更長的攪拌時(shí)間才能讓膠材與外加劑充分反應(yīng)，而且在轉(zhuǎn)換層內(nèi)直徑為36mm 的高強(qiáng)度鋼筋多達(dá)420 多噸，鋼筋分布密集、間距小，框支梁中還設(shè)有型鋼鋼板，轉(zhuǎn)換柱中設(shè)有芯柱，尤其在梁柱抗震節(jié)點(diǎn)處，梁柱鋼筋層層疊疊、密密麻麻，對(duì)混凝土泵送的和易性和塌落度也提出了要求和挑戰(zhàn)。另外，由于框支梁和轉(zhuǎn)換柱的尺寸已達(dá)到大體積混凝土的標(biāo)準(zhǔn)，混凝土供應(yīng)商通過材料的預(yù)檢預(yù)存預(yù)降溫度以及配合比調(diào)整等措施，有效化解高強(qiáng)混凝土的高膠凝材與大體積控水化熱之間的矛盾關(guān)系，并且采取合理的施工措施以降低混凝士硬化過程中產(chǎn)生的水化熱，控制收縮裂縫的產(chǎn)生。本項(xiàng)目轉(zhuǎn)換層的C70、C60混凝土澆筑了2400立方米，總耗時(shí)共20.5 小時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)完成如此大方量的高強(qiáng)混凝土的生產(chǎn)、澆筑、施工，在建筑行業(yè)上實(shí)屬罕見。尤其是1850 多立方米的C70 混凝土用量，刷新了中山市C70混凝土一次性澆筑方量的最高紀(jì)錄。

3.4.2 剪力連接件的設(shè)置

框支梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)受力復(fù)雜，為保證型鋼與混凝土之間能協(xié)調(diào)變形，共同承受外力工況荷載，需在型鋼鋼板上設(shè)置抗剪連接件。本項(xiàng)目為減少型鋼與框支梁箍筋綁扎沖突的施工難度，型鋼選用一字型鋼板，而非傳統(tǒng)的工字型型鋼，因而沒有常規(guī)翼緣能設(shè)置栓釘作為柔性抗剪連接件，因此在鋼板兩側(cè)加焊沿鋼板長度方向布置的直徑25mm 鋼筋作為剛性抗剪連接件，排放尺寸如圖3所示。

3.4.3 拉筋的設(shè)置

由于框支梁中型鋼鋼板的存在，鋼板上每隔一段距離需要預(yù)留固定梁側(cè)模板用的對(duì)拉螺桿開孔就是為了滿足施工工藝需要。為了盡量減少開孔對(duì)型鋼腹板的影響，鋼板不宜再增加開孔讓拉筋穿過綁扎，因此在鋼板兩側(cè)增加輔助筋用于綁扎拉筋，輔助筋則跟鋼板焊接連接，如圖3 所示，這樣構(gòu)造處理不僅能有效降低抗剪鋼板截面的開孔率，同時(shí)也保證了框支梁普通鋼筋骨架的整體性。

4 結(jié)論

⑴超高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，豎向構(gòu)件不連續(xù)，高位轉(zhuǎn)換層的框支梁采用型鋼混凝土后，減小結(jié)構(gòu)的變形，承載力和關(guān)鍵構(gòu)件的耗能能力大大提高，抗震性能得到顯著改善，截面尺寸大大優(yōu)化，從而能更好地實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”抗震設(shè)計(jì)理念。

⑵框支梁受力復(fù)雜且十分重要，為保證計(jì)算分析結(jié)果的正確性，采用盈建科YJK 和PKPM 系列SATWE 兩個(gè)軟件相互比對(duì)計(jì)算，結(jié)果基本一致。在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析基礎(chǔ)上，還局部對(duì)框支梁進(jìn)行FEQ 高精度有限元分析，彌補(bǔ)了整體分析的不足，多方面保證其安全使用可靠。

⑶通過設(shè)置合理的抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施，使轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具有良好的抗震延性，而且能更好保證框支梁內(nèi)置型鋼鋼板與鋼筋混凝土協(xié)同工作的性能，實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準(zhǔn)抗震性能目標(biāo)。